主笔:于梅君
折纸,是很多人的童年回忆。千纸鹤、纸飞机……一张普通的纸,一折、一压、一翻,多变的造型,装点着纯真的童年。
其实折纸不仅仅是玩具,当古老的折纸艺术与自然科学结合在一起,将“折叠”出无限的可能。
折纸技术: 玩起太空“变形记”
你知道吗?我们小时候玩的折纸,如今竟成为解锁航天难题的金钥匙!
随着航天任务日益复杂,卫星和空间站需要更大尺寸的太阳能板和通信天线。然而,火箭的运载空间却十分有限。如何将“大身材”的航天设备塞进火箭“小车厢”?折纸艺术给出了答案。
在中国航天征程中,折纸技术多次大显身手。比如,嫦娥四号月球探测器的中继卫星“鹊桥”,携带了一副展开后口径近5米的伞状天线,而它所搭乘的火箭直径仅3.35米。
这把“大伞”是如何装进“小车厢”的呢?靠的正是折纸的折叠原理。当“鹊桥”与火箭分离后,天线在太空徐徐展开,为嫦娥四号架起了与地球的“通信桥梁”。
2019年,我国发射的“天帆一号”太阳帆,更是将折纸技术的应用推向了新高度。它巧妙地融合了包括Z字折法在内的多种“折纸大法”。
其中,Z字折法让太阳帆上的四根棱,能够像豌豆荚一样,平稳地带动整个帆面展开；而国际上广泛采用的“三浦折叠法”,则展现出极高效率——只需单方向拉伸,整个结构便会自动展平,反向一推,又能迅速缩小体积,空间利用率极高。
当然,现实挑战从未停止。高精度天线必须使用厚板材料,而传统折纸方法对此束手无策——因为厚板折叠时,会互相“纠缠”,卡在一起。
这个难题困扰了全球工程界60多年,直到我国科学家创新提出“厚板折纸”理论,才实现突破。他们借鉴空间机构的设计思路,让厚板也能紧密、平整地折叠。如今,即便是复杂的曲面结构和立体厚板,都能被巧妙“折”起,送上太空。这为未来大型空间结构在轨构建,乃至月球基地的建设,铺平了道路。
放眼全球,太空折纸技术同样日新月异。2025年,美国杨百翰大学研究团队带来名为“绽放模式”的智能折纸技术。它让一个平坦的圆盘,能在太空中如花朵绽放般,自动、流畅地展开成一个碗状立体结构。这种新技术实现了“一键展开”,未来有望应用于制造更先进的太空望远镜,让人类的“宇宙之眼”看得更远、更清晰。
从飞机到建筑:折纸智慧融入日常生活
把目光从遥远的太空收回到我们身边,你会发现折纸的智慧早已融入生活的每一个角落。
科学家仔细观察老鹰飞行时翅膀形态的灵活变化,从中获得灵感,研发出神奇的“折叠机翼技术”。飞机在起飞、巡航或降落时,能够自动调整机翼形状,从而获得最佳的飞行性能。
未来,随着高超音速飞行器的发展,折纸技术还将助力设计出能连续变形的“变形飞行器”,它们将如同太空中的精灵,在高速飞行中自由变换形态,突破传统飞行器的性能极限。
除了航空航天,折纸技术还广泛应用在建筑领域。你见过能自动开合的体育场屋顶吗?建筑师独具匠心,将折纸元素巧妙运用于大型场馆设计中。屋顶可以根据天气情况灵活展开或闭合,即使在雨雪天,也能确保比赛顺利进行。
一些建筑的外立面也采用了折纸结构,通过调节板块角度,实现智能遮阳与自然通风,营造出舒适宜人的室内环境。
阿联酋的巴哈尔塔便是折纸建筑中的杰出代表。这座建筑的外立面由许多可调节的板块组成,这些板块如同折纸一般,能够根据阳光的角度和强度自动调整角度。
在炎热的白天,板块会紧密闭合,阻挡阳光直射,减少室内热量吸收；而在凉爽的夜晚,板块则会适当展开,促进室内外空气流通,降低空调使用频率。据统计,这种设计使得该建筑的空调能耗降低30%以上。
微型机器人:身体里的“小医生”
当折纸技术步入微观世界,它正化身为一位位灵巧的“体内医生”,为人类健康带来革命性的希望。
千纸鹤也能自动折叠,并且比你的发丝直径还小?这不是科幻,而是中国学者刘清坤联合多位科学家实现的科研成果,他们联手打造出世界上最小的千纸鹤——“微纳米折纸鹤”。
这只千纸鹤大小只有几十微米,即使世界上顶级的折纸大师,也不可能徒手或者用镊子折得这么小。其中的秘诀,正是让千纸鹤“自我折叠”:只需施加1V的电压,在不到一秒时间内,它就会自动从平面折叠成千纸鹤。
它代表着未来微纳机器人的发展方向——或许有一天,这些微纳机器人能够在我们的血管中自由游动,像“快递员”一样,将药物准确送达病变部位,为人类健康带来新希望。
“DNA折纸”技术更是展现出惊人的创造力。最近,悉尼大学的科学家像搭“分子乐高”一样,用DNA造出一批可以编程的纳米机器人,未来可能在精准送药、智能材料等方面发挥重要作用。
什么是DNA折纸技术?简单来说,就像我们按照说明书,把一张纸折成天鹅或小船,科学家也可以通过设计,让DNA分子自动折叠成各种微小的立体结构。这次,研究团队就制作了50多种纳米尺寸的形状,比如一只萌萌的“纳米恐龙”、一个会动的“跳舞机器人”,甚至一幅宽度只有一根头发丝千分之一的澳大利亚地图!
这项技术的关键,在于科学家发明了一种模块化的“纳米积木”。就像用乐高拼出复杂模型一样,这些DNA“积木”可以按需组合,快速搭建出各种三维结构。
这些“积木”是怎么准确拼接在一起的呢?科学家在它们表面设计了一些特殊的DNA连接点,就像不同颜色的魔术贴——只有颜色匹配时才能粘在一起。这样一来,就能确保每个“积木”都安装在正确位置,分毫不差。
这项技术最令人期待的应用之一,是制造能够精准送药的纳米机器人。未来我们可以设计出能识别病变细胞的DNA“小车”,把药物直接运到需要的地方再释放,让治疗变得更安全、更高效。
超材料:会听指令的“变形金刚”
想象一下:有一种材料,你无需触碰,只需在远处发出指令,它就能自己膨胀、变形、移动,就像被施了魔法一样……这不是科幻电影,而是美国普林斯顿大学团队的最新成果,他们发明了一种神奇的“超材料”,模糊了机器与材料的界限。
这种材料的神奇之处,在于它内部没有马达和齿轮,却能像微型机器人一样活动。
它的秘密藏在两个地方:一是古老折纸艺术的启发,二是现代电磁的精准控制。
研究人员通过施加不同磁场,就像在远处挥舞无形的指挥棒,可以轻松地让这些基础单元统一行动。当成千上万个单元同步扭曲或收缩时,整个材料就呈现出宏观上的大变形——它能膨胀、移动,甚至抓取东西,科学家给它起了个酷炫名字——“元机器人”。
这种能随意变形的材料,打开了许多领域的大门。医疗方面,未来或可制造出微小的“药物运输船”,在磁场引导下,将药物精准送达病灶。
智能穿戴方面,它能根据环境或体温自动调整结构,成为一件“有生命”的智能衣服。
在超材料这个前沿领域,中国科学家也做出世界瞩目的贡献。例如,浙江大学团队就开发出像“孙悟空金箍棒”一样能大幅压缩和恢复的超材料。
从2000多年前的传统手工艺,到近年来在科技领域的重大突破,折纸正以无尽的潜力,在各个领域绽放出耀眼光芒。无论是飞向深邃的太空,还是深入人体的微观世界,只要我们用心去“折叠”,就能创造出一个又一个令人惊叹的奇迹。
